Стремление снизить габаритные размеры устройств обработки цифровой информации вызвало необходимость создания компактных интегральных микросхем с большим числом элементов и со сложной структурой (больших интегральных микросхем - БИС и интегральных микросхем сверхбольшой степени интеграции - СБИС). Сделать эти микросхемы универсальными, способными выполнять различные функции, удалось путем применения в них программного способа управления, позволяющего использовать их внутренние цепи как унифицированные узлы для выполнения различных арифметических и логических операций. Каждой управляющей программой однозначно устанавливаются последовательности выполнения операций, что позволяет задавать один из возможных алгоритмов работы микросхемы.
Интегральные микросхемы сверхбольшой степени интеграции, предназначенные для обработки двоичных данных по заданной программе, получили название микропроцессоры.
Ядро программируемой (микропроцессорной) системы обработки сигналов в обобщенном виде можно представить двумя крупными взаимосвязанными блоками: центральным процессорным устройством (ЦПУ), которое предназначено для выполнения арифметических и логических операций, и памятью, в которой хранится программа обработки информации (рис.2.9).
Рис. 2.9
Ввод данных в ЦПУ может производиться от датчиков через промежуточные устройства аналогового и цифрового ввода в виде электрических сигналов с определенными параметрами и с клавиатуры в виде
сигналов, формируемых оператором с помощью кнопочных переключателей. Выходная информация ЦПУ (после обработки сигналов по заданной программе) может передаваться в другие устройства для последующего использования (регистрации, управления исполнительными механизмами) и отображения на цифровых или других индикаторах.
Основные принципы функционирования микропроцессора
Микропроцессорные системы принято строить по магистральной схеме (рис. 2.10). Все основные узлы системы связаны одной магистралью, которая представляет собой набор проводов или печатных проводников на плате, по которым передаются двоичные сигналы.
Управление работой всей системы осуществляет микропроцессор, в состав которого входят несколько функциональных узлов. Арифметико-логическое устройство (АЛУ), предназначенное для выполнения арифметических и логических операций над двоичными словами, которые хранятся в регистрах оперативного назначения.
Рис. 2.10
Дешифратор команд интерпретирует последовательные команды, которые выбираются из памяти программ, сообщая тем самым, какую операцию надлежит выполнять процессору в каждом случае. Флажки (однобитные элементы памяти), которые устанавливаются в единичное состояние или сбрасываются в нулевое состояние
АЛУ для того, чтобы фиксировать признаки последней операции (переполнение разрядной сетки, равенство результата нулю и т.п.). Счетчик команд постоянно отслеживает ход выполнения программы (содержит адрес текущей исполняемой команды). Обычно значение программного счетчика автоматически увеличивается после выполнения очередной команды, но он может получить другое значение в результате выполнения команд безусловного или условного перехода.
Последовательность выполнения команд изменяется, когда встречается команда перехода к подпрограмме. В этом случае в счетчик команд автоматически заносится адрес первой команды подпрограммы, а текущий адрес основной программы (адрес возврата), помещается в специальную память, называемую стеком. Подпрограммы могут быть многократно вложены друг в друга. При переходах процессора к выполнению таких вложенных подпрограмм в памяти накапливается последовательность адресов возврата. При возвращении из подпрограмм адреса возврата должны выбираться из памяти и поступать в программный счетчик в обратной последовательности. Именно такой памятью, работающей по принципу последним вошел - первым вышел, является стек. Для его организации используется регистр указатель стека, который постоянно содержит адрес "вершины" стека (адрес текущей ячейки последовательной памяти, к которой осуществляется доступ).
В процессе работы микропроцессор должен обмениваться двоичными данными с другими (внешними по отношению к нему) цифровыми устройствами. Прежде всего - это память программ и память данных. Для того, чтобы уменьшить количество связей между отдельными цифровыми модулями их выполняют в виде системы информационных шин. Каждая шина - это коммуникационный канал в системе, используемый совместно несколькими устройствами. Основными в микропроцессорной системе являются параллельные шины, в которых каждый разряд двоичного слова передается по отдельному проводнику, но реже, например, для связи с последовательной энергонезависимой памятью, может использоваться и дополнительная последовательная шина, где отдельные биты передаются по единственному проводнику последовательно друг за другом.
Передачей данных по каждой шине управляет микропроцессор при помощи устройства управления шиной. Микропроцессор выбирает устройство на шине, с которым производится обмен информацией и при помощи дополнительных управляющих сигналов определяет тип операции (запись или чтение). Каждому устройству, присоединенному к шине, а также отдельным ячейкам внутри каждого устройства, присваиваются свои идентификационные адреса. Различные микропроцессоры используют разные способы передачи адреса. В некоторых случаях в системе имеются выделенные шина данных и шина адреса (как показано на рис. 2.10). В других случаях адрес и данные передаются последовательно во времени по одной шине, которая в этом случае называется мультиплексированной.
Типовая структура измерительных и управляющих микропроцессорных систем
Функциональная схема цифровой части измерительной и управляющей микропроцессорной системы изображена на рис.2.11. Она ориентирована на связь с объектом.
Рис. 2.11
Поэтому в ее составе имеются АЦП и ЦАП для ввода/вывода аналоговых данных, устройства цифрового параллельного ввода/вывода для ввода информации от контактных датчиков и для управления внешними релейными устройствами, а также для задания режимов работы собственной аналоговой части (управление коммутатором, управление коэффициентом передачи входного усилителя).
При эксплуатации такой системы управления на объекте пользователь может изменять режимы работы (например, вводить новые уставки), но не может изменять программу микропроцессора. Такие жесткие системы называют системами со встроенными микропроцессорами. Они не требуют большого объема оперативной памяти, которая здесь используется только для временного хранения данных. В постоянной памяти хранится программа микропроцессора и различные таблицы перекодировок. Кроме этого, микропроцессорная система должна содержать электрически стираемую постоянную память для хранения энергонезависимой информации, которую иногда требуется обновлять. Это - калибровочные коэффициенты аналоговой части, уставки для срабатывания релейной защиты, информация о конфигурации системы управления в целом и т.п.
Средства связи с оператором (клавиатура и индикация) в промышленных микропроцессорных устройствах имеют специальное исполнение с усиленной защитой от проникновения пыли, влаги, от воздействия вибрации и изменения температуры окружающей среды в широком диапазоне. Клавиатура обычно содержит небольшое число кнопочных переключателей (до 16-20). Для визуального контроля данных используют жидкокристаллические и светодиодные индикаторы.
Обязательным элементом многих промышленных микропроцессорных систем является устройство контроля текущего времени (микросхема календарь - часы), которое необходимо для фиксации моментов аварийных и других событий на объекте.
Устройство последовательного ввода/вывода позволяет объединить несколько микропроцессорных подсистем в единую систему управления произвольной конфигурации, в которой по последовательному интерфейсу от центрального компьютера в периферийные подсистемы поступают команды, управляющие режимами их работы, а в обратном направлении передаются результаты измерений.
Развитие технологии производства микропроцессоров сделало возможным дальнейшее повышение степени интеграции. В результате появились микроконтроллеры - СБИС, которые содержат на одном кристалле собственно микропроцессор, небольшой объем памяти программ и памяти данных, а также набор программируемых периферийных устройств, предназначенных для организации связи с объектом управления. Такими периферийными устройствами являются устройства параллельного ввода/вывода цифровых данных, АЦП, таймеры/счетчики, устройства последовательного ввода/вывода. Благодаря этому систему управления стало возможным строить при помощи одного микроконтроллера и нескольких дополнительных микросхем.
Использование этих микроконтроллеров открывает хорошие перспективы для построения более компактных, надежных и дешевых микропроцессорных систем.
